KR20010033021A - Crystal growth - Google Patents

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KR20010033021A KR1020007006374A KR20007006374A KR20010033021A KR 20010033021 A KR20010033021 A KR 20010033021A KR 1020007006374 A KR1020007006374 A KR 1020007006374A KR 20007006374 A KR20007006374 A KR 20007006374A KR 20010033021 A KR20010033021 A KR 20010033021A
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Abstract

The invention provides a mass of crystals, particularly diamond crystals, having a size of less than 100 microns and in which mass the majority of the crystals are faceted single crystals. The invention further provides a method of producing such a mass of crystals which utilizes crystal growth under elevated temperature and pressure conditions, the supersaturation driving force necessary for crystal growth being dependent, at least in part, on the difference in surface free energy between low Miller index surfaces and high Miller index surfaces of the crystals. Preferably, the method is carried out under conditions where the Wulff effect dominates.

Description

결정 성장물{CRYSTAL GROWTH}Crystalline growth {CRYSTAL GROWTH}

결정, 특히 다이아몬드 및 등축정계 질화붕소의 고온 고압 합성법은 널리 알려져 있다. 사용되는 두가지 주요한 방법(이들 둘다는 용액으로부터 이용함)으로는 온도 구배법 및 동소체 전환법이 있다. 온도 구배법에 있어서, 결정 성장의 원동력은 원료 물질과 성장 결정간의 온도 차이에 의해 발생하는 용해도 차이로 인한 과포화이다. 동소체 전환법에 있어서, 결정 성장의 원동력은 원료 물질과 성장 결정 사이의 동소체(또는 다형체) 차이에 의해 발생하는 용해도 차이로 인한 과포화이다.High temperature, high pressure synthesis of crystals, in particular diamond and equiaxed boron nitride, is well known. The two main methods used, both from solutions, are temperature gradient and allotrope conversion. In the temperature gradient method, the driving force of crystal growth is supersaturation due to the difference in solubility caused by the temperature difference between the raw material and the growth crystal. In the allotrope conversion method, the driving force for crystal growth is supersaturation due to the difference in solubility caused by the allotrope (or polymorph) difference between the raw material and the growth crystal.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 결정 집괴(集塊), 특히 결정 크기가 100μ 미만이고 상기 결정 집괴의 대부분, 바람직하게는 80% 이상이 육안으로 관측가능한 패시팅(faceting)된 단결정인 다이아몬드 결정 집괴를 제공한다. 상기 결정의 일부는 쌍정일 수 있다.The present invention provides a crystal agglomerate, in particular a diamond crystal agglomerate, in which the crystal size is less than 100 micron and most, preferably at least 80%, of the crystal agglomerate is faceted single crystals visible to the naked eye. Some of the crystals may be twins.

주로 육안으로 관측가능한 패시팅된 단결정인 결정 집괴는, 육안으로 관측가능한 패시팅된 표면이 실질적으로 존재하지 않는 성장되는 형태의 결정 원료를 제공하는 단계, 상기 원료 결정을 적합한 용매/촉매와 접촉시킴으로써 반응 집괴를 제조하는 단계, 상기 반응 집괴를 고온/고압 장치의 반응 대역내에서 결정 성장에 적합한 승온 및 승압에 적용시키는 단계, 상기 반응 대역으로부터 반응 집괴를 제거하는 단계 및 상기 반응 집괴로부터 결정을 회수하는 단계를 포함하고, 상기 결정 성장 조건이, 상기 원료 결정이 밀러(Miller) 지수가 낮은 육안으로 관측가능한 발달된 패시트를 갖는 결정으로 전환되도록 선택되는 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 결정 집괴중 육안으로 관측가능한 패시팅된 단결정은 일반적으로 80% 이상이다.Crystal agglomerates, which are primarily visually observable faceted monocrystals, provide a growing form of crystalline raw material that is substantially free of visually visible faceted surfaces, by contacting the raw material crystals with a suitable solvent / catalyst. Preparing a reaction agglomerate, applying the reaction agglomerate to an elevated temperature and elevated pressure suitable for crystal growth in a reaction zone of a high temperature / high pressure device, removing the reaction agglomerate from the reaction zone, and recovering crystals from the reaction agglomeration. And the crystal growth conditions can be prepared by a method in which the raw crystals are selected to be converted to crystals with developed facets that are visually observable with a low Miller index. The visible single faced crystals in the crystal mass are generally 80% or more.

본 발명의 실시에서 사용된 결정을 성장시키기 위해 필요한 과포화 원동력을 발생시키는 방법은, 하기에 "울프 효과(wulff effect)"라 지칭되는, 밀러 지수가 낮은 표면 및 밀러 지수가 보다 높은 표면 사이의 표면 자유 에너지 차이에 적어도 부분적으로, 바람직하게는 우세하게 좌우되고; 밀러 지수가 보다 높은 표면은 밀러 지수가 보다 낮은 표면보다 더 높은 표면 자유 에너지를 갖는다. 결정의 단위 체적당 전체 표면 자유 에너지의 최소값에 도달하는 경우, 즉 상기 결정이 밀러 지수가 낮은 표면에 의해 둘러싸이는 경우 결정의 평형 형태가 생성된다. 밀러 지수가 보다 높은 표면은 일련의 단계화된 밀러 지수가 낮은 표면을 서로 근접하게 포함하는 것으로 생각할 수 있다. 상기 상황은 "밀러 지수가 보다 높은 표면"이라는 용어에 포함된다. 결정이 이의 평형 형태로 존재하는 경우, 모든 면으로부터의 수직 거리가 이 면의 표면 자유 에너지에 비례하는 지점이 존재한다. 이는 울프 이론의 기본이다.The method of generating the supersaturation motive force necessary to grow the crystals used in the practice of the present invention is a surface between a surface with a lower Miller index and a surface with a higher Miller index, referred to below as the "wulff effect". At least partially, preferably predominantly, depends on the free energy difference; Surfaces with higher Miller indices have higher surface free energy than surfaces with lower Miller indices. An equilibrium form of the crystal is produced when the minimum value of the total surface free energy per unit volume of the crystal is reached, ie when the crystal is surrounded by a low Miller index surface. Surfaces with higher Miller indices can be considered to comprise a series of surfaces with lower Miller indices in close proximity to each other. The situation is included in the term "surface with higher Miller index". If the crystal is in its equilibrium form, there is a point where the vertical distance from all faces is proportional to the surface free energy of this face. This is the basis of Wolf's theory.

본 발명의 실행에서 바람직한 결정인 다이아몬드에 있어서, 밀러 지수가 높은 표면 및 밀러 지수가 낮은 표면 사이의 표면 자유 에너지 차이가 크고 수십 마이크론의 크기를 포함하는 다양한 크기의 다이아몬드 결정이 사용되는 경우 결정화를 지속시키는 과포화를 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 밀러 지수가 높은 결정 표면 및 밀러 지수가 낮은 결정 표면의 용해도 차이에 의해, 예를들어 거시적으로 밀러 지수가 높은 표면을 특성화시키는 단계, 비틀림 및 다른 구조적 결점을 실질적으로 제거하여 표면 자유 에너지를 감소시킴으로써 적어도 부분적으로 바람직하게는 우세하게 과포화가 생성되는, 다이아몬드 결정 성장에 대한 특별한 용도를 갖는다.In diamond, which is a preferred crystal in the practice of the present invention, crystallization is continued when diamond crystals of various sizes including a large tens of microns and a large difference in surface free energy between surfaces with high Miller indices and surfaces with low Miller indices are used. Can cause supersaturation. Thus, the present invention is characterized by the difference in solubility of the crystal surface having a high Miller index and the crystal surface having a low Miller index, for example, characterizing the surface with a high Miller index macroscopically, substantially eliminating torsion and other structural defects. It has a special use for diamond crystal growth, in which supersaturation is at least partially preferably predominantly produced by reducing free energy.

추가로, 울프 효과는 상기 반응 집괴에서 우세한 조건을 따르는 것으로 관측되었다. 예컨대, 제시된 용매/촉매 및 압력이 적용되는 경우, 도 1 및 2에 도시된 그래프로부터 알수 있듯이 울프 효과는 온도 및 시간에 의존한다. 도 1의 그래프는, 약 5.4GPa에서 1시간 동안 유지시키면서 철-니켈 용매/촉매중 다이아몬드에 대한 울프 효과의 온도 의존성을 나타낸다. 도 2의 그래프는 약 5.4GPa에서 10시간 동안 유지시키면서 상기와 동일한 철-니켈 용매/촉매중 다이아몬드에 대한 울프 효과의 온도 의존성을 나타낸다. 상기 그래프로부터, 원료 결정 크기가 클수록, 적용되는 온도가 높을수록 울프 효과가 우세하고, 밀러 지수가 낮은 패시트를 갖는 단결정을 고비율로 함유한 결정 집괴가 확실히 생성됨을 주목한다. 다른 용매/촉매 및 적용된 압력에 대한 유사한 그래프를 만들어 울프 효과가 우세하게 된 조건이 무엇인지를 결정할 수 있다.In addition, the Wolf effect was observed to follow the prevailing conditions in the reaction mass. For example, when a given solvent / catalyst and pressure are applied, the wolf effect depends on temperature and time, as can be seen from the graphs shown in FIGS. 1 and 2. The graph of FIG. 1 shows the temperature dependence of the wolf effect on diamond in iron-nickel solvent / catalyst while maintaining at about 5.4 GPa for 1 hour. The graph of FIG. 2 shows the temperature dependence of the wolf effect on diamond in the same iron-nickel solvent / catalyst while maintaining at about 5.4 GPa for 10 hours. From the graph, it is noted that the larger the raw material crystal size and the higher the temperature applied, the more predominantly the Wolf effect, and the more abundantly the crystal agglomerates containing single crystals having a low Miller index facet are produced. Similar graphs for different solvents / catalysts and applied pressures can be made to determine what conditions cause the Wolf effect to prevail.

밀러 지수가 높은 표면을 고비율로 갖는 입자는 밀러 지수가 높은 면을 저비율로 갖는 입자보다 패시팅된 결정을 보다 용이하게 수득한다. 추가로, 밀러 지수가 높은 표면을 저비율로 갖는 입자는 부분적으로만 잘려지고/지거나 분해된 패시트를 나타낼 수 있다.Particles having a high ratio of the surface having a high Miller Index are more easily obtained faceted crystals than particles having a high ratio of the surface having a high Miller Index. In addition, particles with low proportions of surfaces with high Miller indices may exhibit facets that are only partially cut and / or degraded.

결정을 성장시키기 위해 승온 및 승압 조건은 결정의 성질에 따라 다르다. 다이아몬드 결정에 대해, 승온은 일반적으로 1100 내지 1500℃이고 승압은 일반적으로 4.5 내지 7GPa이다.In order to grow the crystals, the elevated temperature and elevated pressure conditions depend on the nature of the crystal. For diamond crystals, the elevated temperature is generally 1100-1500 ° C. and the elevated pressure is generally 4.5-7 GPa.

결정, 특히 다이아몬드 결정은 당해 분야에 공지된 방법을 사용한 반응 집괴로부터 회수될 수 있다. 예컨대, 대부분의 실행 방법은 상기 결정 집괴에 잔류하는 용매/촉매를 간단히 분해시키는 것이다. 상기 결정의 일부가 다른 결정과 느슨하게 결합된 경우, 이 결정은 가벼운 제분 또는 다른 유사한 방식을 가하여 분해될 수 있다.Crystals, in particular diamond crystals, can be recovered from reaction agglomerates using methods known in the art. For example, most practice methods simply decompose the solvent / catalyst remaining in the crystal mass. If some of the crystals are loosely bound to other crystals, they can be broken down by applying light milling or other similar methods.

전술된 방법은 크기가 100μ 미만인 결정의 집괴를 제조하는데 주로 사용된다. 그러나, 상기 방법은 육안으로 관측가능한 패시팅된 크기가 큰 결정의 집괴를 제조하는데 또한 사용될 수 있고 이는 본 발명의 일부를 또한 형성한다.The method described above is mainly used to produce agglomerates of crystals of size less than 100 microns. However, the method can also be used to produce agglomerates of large sized facet crystals that are visible to the naked eye, which also forms part of the present invention.

상기 원료 결정은 육안으로 관측가능한 패시팅된 표면이 실질적으로 존재하지 않는 불규칙적 형태의 입자에 의해 제공될 수 있다. 적합한 원료 결정의 예는 분쇄 조작된 생성물이다. 예로서, 도 4는 모가 난 원료 다이아몬드 결정의 260배 확대 사진을 도시한 것이다. 상기 원료 입자는, 육안으로 관측가능한 패시트가 손상되거나 파괴되고/되거나 밀러 지수가 높은 표면이 생성됨으로써 보다 높은 표면 에너지의 패시트가 생성되도록 처리된 입자에 의해 또한 제공될 수 있다.The raw crystals may be provided by particles of irregular shape that are substantially free of visually observable faceted surfaces. Examples of suitable raw material crystals are milled products. As an example, FIG. 4 shows a 260-fold magnification of the raw raw diamond crystals. The raw particles may also be provided by particles that have been treated such that the visually observable facet is damaged or destroyed and / or a surface with a high Miller index is produced to produce a higher surface energy facet.

상기 원료 결정은 좁은 크기 분포 또는 비교적 넓은 크기 분포를 가질 수 있다. 울프 효과가 결정 성장에서 우세하도록 상기 조건을 선택하는 경우, 생성한 패시팅된 단결정 집괴는 상기 원료 결정과 동일한 크기 분포를 본질적으로 가질 것이다.The raw material crystals may have a narrow size distribution or a relatively wide size distribution. If the conditions are chosen such that the wolf effect prevails in crystal growth, the resulting faceted single crystal agglomerates will essentially have the same size distribution as the raw crystals.

과포화는 변형된 결정 및 보다 적게 변형된(또는 변형되지 않은) 결정 사이의 용해도 차이에 의해 또한 보조될 수 있다.Supersaturation can also be aided by the difference in solubility between modified and less modified (or unmodified) crystals.

패시팅된 다이아몬드 결정 집괴는 마모, 래핑(lapping) 및 분쇄 용도를 갖고, 보다 용이하고 보다 정밀하게 크기를 분리시키고 결정시키며, 건조 분말 및 슬러리 형태에서 보다 우수한 유동 특성을 갖는다. 상기 패시팅된 다이아몬드 결정은 다결정질 제품의 제조 용도를 또한 갖는다.The faceted diamond crystal agglomerate has abrasion, lapping and grinding applications, and is easier and more precisely to size and crystallize and has better flow properties in dry powder and slurry form. The faced diamond crystals also have applications for the production of polycrystalline articles.

본 발명은 고온 및 고압 조건하에서 다이아몬드, 등축정계 질화붕소 및 다른 결정의 성장에 관한 것이다.The present invention relates to the growth of diamond, equiaxed boron nitride and other crystals under high temperature and high pressure conditions.

도 1은 약 5.4GPa에서 1시간 동안 유지시키고 철-니켈 용매/촉매중 다이아몬드에 대한 울프 효과의 온도 의존성을 도시한 그래프이다.1 is a graph showing the temperature dependence of the wolf effect on diamond maintained in about 5.4 GPa for 1 hour and iron-nickel solvent / catalyst.

도 2는 약 5.4GPa에서 10시간 동안 유지시키고 철-니켈 용매/촉매중 다이아몬드에 대한 울프 효과의 온도 의존성을 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the wolf effect on diamond maintained in about 5.4 GPa for 10 hours and iron-nickel solvent / catalyst.

도 3은 회수된 다이아몬드 입경 분포를 개시 다이아몬드 입경 분포와 비교한 그래프이다.3 is a graph comparing the recovered diamond particle size distribution with the starting diamond particle size distribution.

도 4는 모가 난 원료 다이아몬드 결정을 260배 확대한 사진이다.4 is a 260 times magnified photograph of the raw material diamond crystals.

도 5는 본 발명의 방법에 의해 제조한 패시팅된 다이아몬드 결정 및 일부의 다이아몬드 쌍정을 260배 확대한 사진이다.FIG. 5 is a 260 times magnified photograph of faceted diamond crystals and some diamond twins prepared by the method of the present invention. FIG.

도 6은 도 3의 결정을 520배 확대한 사진이다.6 is a 520 times enlarged view of the crystal of FIG. 3.

본 발명은 고온 및 고압 조건을 이용한 결정의 성장 또는 합성에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다이아몬드 및 등축정계 질화붕소와 같은 초경질 연마제 입자의 성장 또는 합성에 관한 것이다.The present invention relates to the growth or synthesis of crystals using high temperature and high pressure conditions. In particular, the present invention relates to the growth or synthesis of ultrahard abrasive particles such as diamond and equiaxed boron nitride.

상기 원료 결정의 크기는 성장한 결정의 성질에 따라 다르다.The size of the raw crystals depends on the nature of the grown crystals.

상기 원료 결정은, 코어를 갖는 다이아몬드 입자가 밀러 지수가 높은 표면을 갖고 육안으로 관측가능한 패시트가 실질적으로 존재하지 않는 경우, 다이아몬드 코어 및 용매/촉매 층과 같은 적합한 물질의 피복을 포함하는 입자에 의해 또한 제공될 수 있다.The raw material crystals are applied to particles comprising a coating of a suitable material, such as a diamond core and a solvent / catalyst layer, when the diamond particles with the core have a high Miller index surface and there is substantially no visible facet. May also be provided.

상기 원료 결정은 성장 결정의 클래딩(cladding) 또는 피복을 갖는 임의의 물질의 코어를 포함하는 입자에 의해 또한 제공될 수 있다.The raw crystals may also be provided by particles comprising a core of any material having a cladding or covering of growth crystals.

사용되는 용매/촉매는 성장 결정의 성질에 의존한다. 다이아몬드의 경우 이러한 용매/촉매의 예는, 철, 코발트, 니켈, 망간과 같은 전이금속 원소 및 이 금속중 임의의 하나를 함유하는 합금, 스테인레스 강, 초합금(예, 코발트, 니켈 및 철계 합금), 규소 강, 청동, 및 니켈/인, 니켈/크롬/인 및 니켈/백금과 같은 경납이다. 다이아몬드 합성을 위한 그밖의 적합한 용매/촉매는, 예를들어 구리, 구리/알루미늄 및 인과 같은 전이금속을 함유하지 않는 원소, 화합물 및 합금, 및 비금속성 물질 또는 이들의 혼합물, 예를들어 알칼리, 알칼리 토금속 하이드록사이드, 카보네이트 및 설페이트, 클로레이트 및 실리케이트(예, 수화된 형태의 포스터라이트 및 엔스타타이트)이다.The solvent / catalyst used depends on the nature of the growth crystals. Examples of such solvents / catalysts for diamond include transition metal elements such as iron, cobalt, nickel, manganese and alloys containing any one of these metals, stainless steel, superalloys (eg cobalt, nickel and iron-based alloys), Silicon steel, bronze, and braze such as nickel / phosphorus, nickel / chromium / phosphorus and nickel / platinum. Other suitable solvents / catalysts for diamond synthesis are, for example, elements, compounds and alloys that do not contain transition metals such as copper, copper / aluminum and phosphorus, and nonmetallic materials or mixtures thereof, such as alkalis, alkalis Earth metal hydroxides, carbonates and sulfates, chlorates and silicates (e.g., phosphate and enstatite in hydrated form).

다이아몬드에 있어서, 원료 입자는 종래의 고압/고온 공정 또는 다른 적합한 기술, 또는 천연 다이아몬드에 의해 제조한 합성 다이아몬드일 수 있다.For diamond, the raw particles may be synthetic diamonds made by conventional high pressure / high temperature processes or other suitable techniques, or by natural diamond.

상기 방법에서 사용되는 승온 및 승압 조건은 결정이 성장되는 성질에 따라 또한 다르다. 다이아몬드 및 등축정계 질화 붕소 성장에 있어서, 합성 조건은 결정이 열역학적으로 안정하도록 하는 것이다. 이러한 조건은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 그러나, 다이아몬드의 열역학적으로 안정한 범위외의 조건하에서 다이아몬드 성장을 수행하는 것도 또한 가능하다. 오스트발트-볼머(Ostwald-Volmer) 법칙보다 오스트발트 법칙이 성장 공정을 지배하는 경우 다이아몬드의 열역학적으로 안정한 범위외의 온도 및 압력 조건이 사용될 수 있다(문헌[Bohr, R Haubner and B Lux Diamond and Related Materials volume 4, pages 714-719, 1995] 참고)-"오스트발트 법칙에 따르면, 다양한 에너지 준위를 갖는 시스템으로부터 에너지가 방출되는 경우, 상기 시스템은 안정한 바닥 상태에 직접적으로 도달되는 것이 아니라 그대신 모든 중간 준위를 점차적으로 통과한다. 추가로, 오스트발트-볼머 법칙에 따라, 밀도가 낮은 상이 먼저 형성된다(핵을 형성함). 상기 두개의 법칙이 서로 모순되는 경우, 오스트발트-볼머 법칙은 오스트발트 법칙보다 우선권을 갖는다". 열역학적으로 안정한 범위 밖의 다이아몬드 결정 성장에 있어서, 오스트발트-볼머 법칙은, 예를들어 압력을 적용함으로써 억제될 수 있고, 흑연 결정이 실질적으로 존재하지 않는 경우 이미 존재한 다이아몬드 입자에서 다이아몬드를 성장시킨다. 등온 및 등압 조건이 본 발명의 실행에서 본질적이지 않지만, 이 조건이 바람직하다.The elevated temperature and elevated pressure conditions used in the method also depend on the nature in which the crystals are grown. For diamond and equiaxed boron nitride growth, the synthesis conditions are such that the crystals are thermodynamically stable. Such conditions are well known in the art. However, it is also possible to carry out diamond growth under conditions outside the thermodynamically stable range of the diamond. If Ostwald's law dominates the growth process rather than the Ostwald-Volmer law, temperature and pressure conditions outside the thermodynamically stable range of diamond may be used (Bohr, R Haubner and B Lux Diamond and Related Materials). volume 4, pages 714-719, 1995]). According to Ostwald's law, when energy is released from a system with varying energy levels, the system does not directly reach a stable ground state, In addition, according to the Ostwald-Wolmer law, a low-density phase is formed first (forming a nucleus), and if the two laws contradict each other, the Ostwald-Wolmer law is called the Ostwald. Take precedence over the law ". For diamond crystal growth outside the thermodynamically stable range, the Ostwald-Wolmer law can be suppressed, for example, by applying pressure, and grows diamond in diamond particles already present when the graphite crystal is substantially absent. Although isothermal and isostatic conditions are not essential in the practice of the present invention, these conditions are preferred.

상기 원료 결정을 적합한 용매/촉매와 접촉시켜 반응 집괴를 생성시킨다. 일반적으로, 상기 원료 결정은 미립자 형태로 촉매/용매와 함께 혼합된다.The raw crystals are contacted with a suitable solvent / catalyst to produce reaction agglomerates. Generally, the raw crystals are mixed with the catalyst / solvent in particulate form.

상기 반응 집괴를 종래의 고온/고압 장치의 반응 대역에 놓고 결정 성장을 이루기 위해 필요한 승온 및 승압 조건에 상기 내용물을 둘 수 있다. 밀러 지수가 보다 높은 표면은 밀러 지수가 보다 낮은 표면에 대해 바람직하게는 촉매/용매중에서 용해된다. 용질은 밀러 지수가 보다 낮은 표면으로 이동하고 그 위에 침전되거나 성장한다. 생성된 결정은 이용된 포화-시간 형태에 의존적인 형태를 갖는다. 온도 및 압력 조건 및 상기 용매/촉매의 화학적 조성은 또한 형태에 영향을 준다.The contents may be placed at elevated temperature and elevated conditions necessary to place the reaction agglomerate in a reaction zone of a conventional high temperature / high pressure device to achieve crystal growth. Surfaces with higher Miller indices are preferably dissolved in the catalyst / solvent for surfaces with lower Miller indices. Solutes migrate to surfaces with lower Miller indices and settle or grow on them. The resulting crystals have a form that depends on the saturation-time form used. Temperature and pressure conditions and the chemical composition of the solvent / catalyst also influence the morphology.

결정화 및 질소, 붕소 또는 인과 같은 결정 구조 개질제는 상기 반응 집괴내로 도입되어 특정한 목적을 이룰 수 있다.Crystallization and crystal structure modifiers such as nitrogen, boron or phosphorus may be introduced into the reaction mass to achieve a particular purpose.

본 발명은 하기의 비제한적인 예로 예시된다.The invention is illustrated by the following non-limiting examples.

실시예 1Example 1

전술된 반응 캡슐을 사용하여 일부의 쌍정과 함께 다수의 패시팅된 다이아몬드 결정을 제조하였다. (a) 입경이 20 내지 40μ이고 불규칙 합성 물질을 분쇄시켜 제조한 다이아몬드 입자 50g 및 (b) 철-코발트 분말 285g의 혼합물을 만들었다. 상기 다이아몬드 입자는 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않았다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 5.5GPa 및 약 1420℃로 증가시켰다. 상기 조건을 11시간 동안 유지시켰다. 생성된 결정은 거의 전체적으로 패시팅되고 일부는 쌍정이었다. 회수된 총 결정 집괴는 41g이었고 크기 범위는 실질적으로 30 내지 50μ이었다. 상기 입자 집괴중 80% 이상이 단결정이었다.Multiple faceted diamond crystals were prepared with some twins using the reaction capsules described above. A mixture of (a) 50 g of diamond particles and (b) 285 g of iron-cobalt powder prepared by pulverizing an irregular synthetic material with a particle diameter of 20 to 40 µ was made. The diamond particles did not have a facet visible to the naked eye. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions increased to about 5.5 GPa and about 1420 ° C. The conditions were maintained for 11 hours. The resulting crystals were almost entirely faced and some were twins. The total crystal mass recovered was 41 g and the size range was substantially 30-50 μ. At least 80% of the particle agglomerates were single crystals.

도 4는 상기 입자의 모가 난(패시팅되지 않음) 성질을 도시한 원료 다이아몬드 입자(결정)의 260배 확대 사진이다. 도 5 및 도 6은 상기 방법에 의해 제조한 패시팅된 다이아몬드 결정 및 일부의 다이아몬드 쌍정의 각각 상이하게 확대한 사진이다. 패시트를 상기 사진에서 분명히 관찰할 수 있다. 패시팅된 결정 및 쌍정은 느슨하게 집괴상으로 결합되어 있음을 주목한다. 상기 집괴를 가볍게 제분하거나 유사한 방식을 가하여 각각의 입자를 자유롭게 할 수 있다.Fig. 4 is a 260 times magnification photograph of raw diamond particles (crystals) showing the grainy (unfaced) properties of the particles. 5 and 6 are respectively enlarged photographs of the faceted diamond crystals and some diamond twins produced by the method. The facet can be clearly seen in the picture. Note that the faced crystals and twins are loosely bound into agglomerates. The agglomerates can be milled lightly or applied in a similar manner to free individual particles.

실시예 2Example 2

전술된 반응 캡슐을 다시 사용하여 다수의 패시팅된 다이아몬드 결정을 제조하였다. (a) 최대 크기가 8μ이고 최소 크기가 4μ인 불규칙 합성 물질을 분쇄시켜 제조한 다이아몬드 입자 50g, 및 (b) 코발트-철 용매 284.6g의 혼합물을 만들었다. 상기 다이아몬드 입자는 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않았다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 5.5GPa 및 약 1370℃로 증가시켰다. 이 조건을 11시간 동안 유지시켰다. 성장한 결정은 전체적으로 패시팅되어 있고 일부는 쌍정이며, 크기 범위는 약 6μ 내지 약 10μ이었다. 총 결정 집괴 39.5g을 회수하였다. 상기 입자 집괴중 80% 이상이 단결정이었다.The reaction capsules described above were used again to produce a number of faced diamond crystals. A mixture of (a) 50 g of diamond particles and (b) 284.6 g of cobalt-iron solvent was prepared by grinding an irregular synthetic material having a maximum size of 8 μ and a minimum size of 4 μ. The diamond particles did not have a facet visible to the naked eye. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions increased to about 5.5 GPa and about 1370 ° C. This condition was maintained for 11 hours. The grown crystals are entirely faced, some are twin, and range in size from about 6 microns to about 10 microns. 39.5 g of total crystal mass was recovered. At least 80% of the particle agglomerates were single crystals.

실시예 3Example 3

전술된 반응 캡슐을 사용하여 다수의 패시팅된 다이아몬드 결정을 또한 제조하였다. (a) 입경 분포가 20 내지 40μ이고 불규칙 합성 물질을 분쇄시켜 제조한 다이아몬드 입자 30체적%, 및 (b) 철-니켈 분말 70체적%의 혼합물을 만들었다. 상기 다이아몬드 입자는 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않았다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 5.5GPa 및 약 1400℃로 증가시켰다. 이 조건을 20분 동안 유지시켰다. 생성된 결정은 전체적으로 패시팅되어 있고 일부는 쌍정이며, 크기 범위는 25 내지 45μ이었다. 상기 입자 집괴중 80% 이상이 단결정이었다.Multiple faceted diamond crystals were also prepared using the reaction capsules described above. A mixture of (a) 30 vol% of diamond particles prepared by pulverizing an irregular synthetic material with a particle size distribution of 20 to 40 µm and (b) 70 vol% of iron-nickel powder was made. The diamond particles did not have a facet visible to the naked eye. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions increased to about 5.5 GPa and about 1400 ° C. This condition was maintained for 20 minutes. The resulting crystals are totally faced and some are twin, with a size range of 25 to 45 microns. At least 80% of the particle agglomerates were single crystals.

실시예 4Example 4

전술된 반응 캡슐을 다시 사용하여 다수의 패시팅된 다이아몬드 결정을 제조하였다. (a) 불규칙적 형태를 갖고 입경 분포가 20 내지 40μ인 천연 다이아몬드 입자 30체적%, 및 (b) 코발트-철 분말 70체적%의 혼합물을 만들었다. 상기 다이아몬드 입자는 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않았다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 5.5GPa 및 약 1370℃로 증가시키고, 이 조건을 1시간 동안 유지시켰다. 회수된 결정은 전체적으로 패시팅되어 있고 일부는 쌍정이었다. 상기 결정의 크기는 25 내지 50μ이었다. 상기 입자 집괴중 80% 이상이 단결정이었다.The reaction capsules described above were used again to produce a number of faced diamond crystals. A mixture of (a) 30% by volume of natural diamond particles having an irregular shape with a particle size distribution of 20 to 40μ, and (b) 70% by volume of cobalt-iron powder was prepared. The diamond particles did not have a facet visible to the naked eye. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions were increased to about 5.5 GPa and about 1370 ° C. and the conditions were maintained for 1 hour. The recovered crystals were entirely faced and some were twins. The size of the crystals was 25-50μ. At least 80% of the particle agglomerates were single crystals.

실시예 2, 3 및 4에서, 원료 및 패시팅된 다이아몬드 결정 및 다이아몬드 쌍정은 도 4 및 5 및 6에 각각 예시된 바와 유사하다.In Examples 2, 3 and 4, the raw and faced diamond crystals and diamond twins are similar to those illustrated in FIGS. 4 and 5 and 6, respectively.

실시예 5 내지 25Examples 5-25

패시팅된 다이아몬드 결정을 실시예 1 내지 4에 명시된 것 이외에 다른 용매/촉매를 사용하여 제조하였다. 다른 용매/촉매 시스템의 예, 및 사용된 조건은 하기 표 1에 나타낸다. 실시예 5 내지 25 각각에서, 원료 다이아몬드 입자는 불규칙적인 형태이고 육안으로 관측가능한 패시트가 존재하지 않는 분쇄된 합성 다이아몬드 입자였다.Faceted diamond crystals were prepared using other solvents / catalysts in addition to those specified in Examples 1-4. Examples of other solvent / catalyst systems, and the conditions used, are shown in Table 1 below. In each of Examples 5 to 25, the raw diamond particles were crushed synthetic diamond particles that were irregularly shaped and without the visually visible facet.

실시예 26 내지 32Examples 26 to 32

본 발명은 원료 다이아몬드 크기 범위의 예가 제시된 실시예 26 내지 32에 의해 추가로 예시된다. 모든 원료 다이아몬드는 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않았다. 상기 예는, 보다 불규칙한 원료 다이아몬드 크기에서 본 발명을 실행하기 위해 온도 및 시간에 대한 보다 과도한 조건, 이외에 용매/촉매의 유형을 다양하게 할 필요성을 또한 예시한다. 패시팅된 다이아몬드 결정이 생성되었다. 실시예에 사용된 조건이 하기 표 2에 제시된다.The invention is further illustrated by Examples 26-32, where examples of raw diamond size ranges are presented. All raw diamonds did not have a visually observable facet. The above example also illustrates the need to vary the type of solvent / catalyst in addition to the more extreme conditions for temperature and time to practice the invention at more irregular raw diamond sizes. Faceted diamond crystals were produced. The conditions used in the examples are shown in Table 2 below.

실시예 33Example 33

명목상 크기 범위가 30μ 내지 45μ을 갖고 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않는 원료 다이아몬드 집괴의 입경 분포를 레이저광 회절법을 사용하여 측정하였다. (a) 상기 원료 다이아몬드 입자 25체적%, 및 (b) 철-니켈 분말 75체적%의 혼합물을 만들었다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 5.3GPa 및 약 1360℃로 18분 동안 증가시켰다.The particle size distribution of the raw diamond agglomerates having a nominal size range of 30 μ to 45 μ and no visually visible facet was measured using laser light diffraction. A mixture of (a) 25 vol% of the raw diamond particles and (b) 75 vol% of the iron-nickel powder was made. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions were increased to about 5.3 GPa and about 1360 ° C. for 18 minutes.

용매/촉매를 희석 무기산 혼합물중에 용해시킴으로써 다이아몬드를 상기 물질로부터 회수하였다. 세척 및 건조후, 회수된 다이아몬드를 칭량하고 입경 분포를 다시 측정하였다.Diamond was recovered from this material by dissolving the solvent / catalyst in a dilute inorganic acid mixture. After washing and drying, the recovered diamond was weighed and the particle size distribution was measured again.

손실된 다이아몬드 질량은 용매/촉매중 다이아몬드의 용해도에 알맞는 용매/촉매 질량의 24% 또는 3.5%임이 발견되었다. 상기 원료 다이아몬드 입자 및 상기 반응 캡슐로부터 회수한 패시팅된 다이아몬드의 입경 분포가 도 3에 도시되어 있다. 원료 다이아몬드 및 회수한 패시팅된 다이아몬드의 입경 분포는 실질적으로 동일하고, 특정한 표면적에서 0.178㎡/g 에서 0.168㎡/g으로 또한 다소 감소되어 회수된 다이아몬드가 원료 다이아몬드보다 다소 크다. 크기 분포의 다소 불규칙성은 용해 공정보다 오히려 울프 효과를 이용한 성장 공정에 기인된 패시트의 증거이다.The lost diamond mass was found to be 24% or 3.5% of the solvent / catalyst mass that is appropriate for the solubility of the diamond in the solvent / catalyst. The particle size distribution of faceted diamond recovered from the raw diamond particles and the reaction capsule is shown in FIG. 3. The particle size distributions of the raw diamond and recovered faceted diamond are substantially the same, and are also somewhat reduced from 0.178 m 2 / g to 0.168 m 2 / g at the specific surface area so that the recovered diamond is somewhat larger than the raw diamond. The somewhat irregularity of the size distribution is evidence of the facet due to the growth process using the Wolf effect rather than the dissolution process.

실시예 34Example 34

명목상 크기 범위가 24μ 내지 48μ인 육안으로 관측가능한 패시트를 갖지 않는 원료 합성 다이아몬드 입자 집괴를 약 2μ 두께의 니켈-인을 갖는 층으로 피복시켰다. 상기 피복된 입자가 실질적으로 분리되는 방식에서 전기분해법을 사용하여 상기 층을 침착시켰다. (a) 상기 피복된 다이아몬드 입자 20체적%, 및 (b) 염화나트륨 80체적%를 포함하는 혼합물을 만들고 이 혼합물을 반응 캡슐에 넣었다. 상기 반응 캡슐의 조건을 약 5.2GPa 및 약 1310℃로 300분간 증가시켰다. 온수에 염화나트륨을 용해시킴으로써 다이아몬드를 상기 반응 캡슐로부터 회수하였다. 상기 회수된 다이아몬드를 시험한 결과 거의 전체적으로 패시팅된 것으로 관찰되었다.Raw synthetic diamond particle agglomerates having no visually visible facet with a nominal size range of 24 μm to 48 μm were coated with a layer having about 2 μm thick nickel-phosphorus. The layer was deposited using electrolysis in such a way that the coated particles were substantially separated. A mixture comprising (a) 20% by volume of the coated diamond particles and (b) 80% by volume of sodium chloride was made and placed in the reaction capsule. The conditions of the reaction capsule were increased to about 5.2 GPa and about 1310 ° C. for 300 minutes. Diamond was recovered from the reaction capsule by dissolving sodium chloride in warm water. The recovered diamond was tested and found to be almost entirely faceted.

실시예 35Example 35

(a) 입경이 0.5μ 미만인 육안으로 관측가능한 패시트가 없는 합성 다이아몬드 입자 30체적%, 및 (b) 코발트 분말 70체적%의 혼합물을 만들었다. 상기 혼합물을 반응 캡슐에 넣고 조건을 약 4.8GPa 및 1170℃로 증가시키고 이 조건을 11시간 동안 유지시켰다. 코발트를 희석된 염산에 용해시키고 용액으로부터 다이아몬드를 여과시킴으로써 다이아몬드를 상기 반응 캡슐로부터 회수하였다. 다이아몬드를 시험하여 실질적으로 1μ 미만의 크기를 갖는 패시팅된 결정을 관찰하였다. 먼케(Muncke)(문헌 ["다이아몬드의 특성" edited by J E Field, page 517, Academic Press 1979])에 따르면, 4.8GPa에서 Co-C 시스템중 공융점은 약 1375℃이고, 상기 실시예에 제시된 조건하에서 상기 반응 혼합물은 결정 성장 기간 동안 고체 상태로 존재하였다.A mixture of (a) 30% by volume synthetic diamond particles with no visible facet with a particle diameter of less than 0.5μ, and (b) 70% by volume of cobalt powder was made. The mixture was placed in a reaction capsule and the conditions increased to about 4.8 GPa and 1170 ° C. and maintained for 11 hours. Diamond was recovered from the reaction capsule by dissolving cobalt in dilute hydrochloric acid and filtering the diamond from solution. Diamonds were tested to observe faced crystals having a size substantially less than 1 micron. According to Munke ("Diamond Properties" edited by JE Field, page 517, Academic Press 1979), the eutectic point in the Co-C system at 4.8 GPa is about 1375 ° C and the conditions presented in the above examples. Under the reaction mixture was in a solid state during the crystal growth period.

다르게 진술되지 않는한, 전술된 모든 실시예에서 패시팅된 다이아몬드 입자는 각각의 분리된 패시팅된 다이아몬드 결정 집괴에 잔류하는 적합한 공지되어 있는 산 또는 용매에 촉매/용매를 간단히 용해시킴으로써 회수되었다. 상기 결정의 일부가 다른 것과 느슨하게 결합되는 경우, 상기 결합된 집괴를 가벼운 제분 또는 유사한 방식을 가하여 상기 결정을 자유롭게 하였다.Unless stated otherwise, the faceted diamond particles in all the examples described above were recovered by simply dissolving the catalyst / solvent in a suitable known acid or solvent remaining in each separate faceted diamond crystal agglomerate. If some of the crystals were loosely bound to others, the combined agglomerates were subjected to mild milling or a similar manner to free the crystals.

실시예 5 내지 35의 패시팅된 다이아몬드는 도 4 및 5에 예시된 것과 모두 유사하였다. 모든 경우에 있어서, 쌍정이 일부 존재하지만, 상기 입자의 80% 이상은 단결정이었다.The faceted diamonds of Examples 5 to 35 were all similar to those illustrated in FIGS. 4 and 5. In all cases, there were some twins, but at least 80% of the particles were single crystals.

Claims (9)

결정 크기가 100μ 미만이고 결정 집괴중 대부분이 패시팅(faceting)된 단결정인 결정 집괴.Crystal agglomerates in which the crystal size is less than 100 microns and most of the crystal agglomerates are faceted single crystals. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 80% 이상이 패시팅된 단결정인 결정 집괴.More than 80% of the crystal grains are faceted single crystals. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 결정이 다이아몬드 결정인 결정 집괴.A crystal mass where the crystal is a diamond crystal. 육안으로 관측가능한 패시팅된 표면이 실질적으로 존재하지 않는 성장되는 형태의 결정 원료를 제공하는 단계;Providing a growing form of crystalline raw material that is substantially free of a visually visible faceted surface; 상기 원료와 적합한 용매/촉매를 접촉시킴으로써 반응 집괴를 제조하는 단계;Preparing a reaction aggregate by contacting the raw material with a suitable solvent / catalyst; 상기 반응 집괴를 고온/고압 장치의 반응 대역내에서 결정 성장에 적합한 승온 및 승압에 적용시키는 단계;Subjecting the reaction agglomerates to elevated temperatures and elevated pressures suitable for crystal growth within the reaction zone of a high temperature / high pressure device; 상기 반응 대역으로부터 반응 집괴를 제거하는 단계; 및Removing reaction agglomerates from the reaction zone; And 상기 반응 집괴로부터 결정을 회수하는 단계를 포함하고,Recovering crystals from the reaction mass, 상기 결정 성장 조건이, 원료 결정이 낮은 밀러(Miller) 지수를 갖는 육안으로 관측가능한 발달된 패시트를 갖는 결정으로 전환되도록 선택되는, 육안으로 관측가능한 패시팅된 단결정인 결정 집괴의 제조방법.Wherein said crystal growth condition is a visually observable faceted single crystal in which the raw material crystal is selected to be converted to a crystal having a naked face observable developed facet having a low Miller index. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 결정 집괴가 육안으로 관측가능한 패시팅된 단결정을 80% 이상 함유하는 방법.And wherein the crystal agglomerate contains at least 80% of faceted single crystals that are visible to the naked eye. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 결정이 다이아몬드 결정인 방법.How the crystal is a diamond crystal. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 승온이 1100 내지 1500℃이고 승압이 4.5 내지 7GPa인 방법.The elevated temperature is from 1100 to 1500 ° C. and the elevated pressure is from 4.5 to 7 GPa. 제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 4 to 7, 결정 성장에 필요한 과포화 원동력이 원료 결정의 밀러 지수가 낮은 표면 및 밀러 지수가 높은 표면 사이의 표면 자유 에너지 차이에 의해 우세하게 발생되는 방법.The supersaturation motive force required for crystal growth is predominantly caused by the difference in surface free energy between the low Miller indices and the high Miller indices of the raw crystals. 제 4 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 4 to 8, 울프 효과가 우세한 방법.How the Wolf effect prevails.
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